FOXO1與早期妊娠的研究進展

賈青青，郝曉瑩，郭慧慧，郭燁

(1.山西醫科大學，太原 030000； 2.山西醫科大學第二醫院婦產科，太原 030000)

早期妊娠丟失占妊娠丟失的80%，發生機制尚不清楚，高危妊娠和高齡產婦是其明確的高危因素[1]。隨著二胎政策的開放，我國高危妊娠和高齡產婦的數量明顯增加[1]，因此，對早期妊娠丟失相關過程機制的研究有重要的臨床意義。卵泡發育是人類生命的起源，優化卵泡及卵子質量可以提高胚胎質量[2]。此外，胚胎植入也是較重要的早期妊娠過程，胚泡發育必須與子宮內膜蛻膜樣改變同步才能發生胚胎植入，進而胚胎才能繼續發育，妊娠4～8周是胚胎發育的關鍵時期，三胚層分化形成許多器官系統的雛形，胚胎初具人形。FOXO1對胚胎發育的作用受到廣泛關注，有研究發現，小鼠胚胎叉頭框蛋白(forkhead box protein，FOX)O1的整體缺失可致胚胎死亡[3]。隨著研究的深入，FOXO1不僅通過氧化應激誘發卵泡閉鎖[4]、調節顆粒細胞周期[5]以及凋亡[6-7]影響卵泡發育，還可作為子宮內膜的蛻膜化的標志[8-9]，影響胚胎植入[10-11]、囊胚滯育[12-13]、胚胎致畸[14-15]及致死[16]等。但是，目前FOXO1對早期妊娠過程的影響大多局限于動物實驗及體外實驗[3-16]，目前其在體內的機制尚不清楚，但其有望成為篩查早期妊娠丟失的重要指標。現就FOXO1在早期妊娠相關過程中的研究進展予以綜述，以期為FOXO1對人類早期妊娠影響的研究提供新的理論基礎。

1 FOXO1介紹

1.1FOXO1的結構及功能 FOXO1首先在果蠅體內發現[17]。FOXOs是一個特殊的DNA結合基序的翼螺旋結構域，具有叉頭結構域，可以識別TTGTTTAC核心DNA基序[18]。FOXOs有4個主要結構域，具有結合DNA、核定位、核輸出以及反激活功能；并可識別Daf-16結合元件[5′-GTAAA(T/C)AA]和胰島素反應元件[5′-(C/A)(A/C)AAA(C/T)AA]兩個反應元件[17]，此外，核心DNA序列5′-(A/C)AA(C/T)A可被FOXOs所有成員識別[3]。

哺乳動物FOXOs基因包括FOXO1、FOXO3、FOXO4和FOXO6[19]。其中編碼FOXO1蛋白的FOXO1基因位于第13號染色體上[20]，FOXO1蛋白的特異性叉頭框結構是調控FOXO1的主要區域，由4個螺旋(H1、H2、H3和H4)、2個翼狀環狀(W1、W2)和3個分子鏈(S1、S2、S3)組成，其中H3垂直于DNA軸，H3的特異性堿基與DNA識別元件(5-TAAGTCA-3)結合；此外，W1、S2和S3可協助H3穩定蛋白質-DNA復合物，并與DNA的磷酸主鏈建立連接[21]。晶體結構研究表明，FOXO1結合兩個一致序列，包括Daf-16結合元件和胰島素反應序列[5′-(C/A)(A/C)AAA(C/T)AA][22]。FOXO1可通過復雜位點與下游DNA之間的相互作用來調節FOXO1的轉錄活性。

FOXOs的轉錄活性可調控多個組織中的許多細胞過程，包括分化、代謝、增殖、自噬、凋亡及應激抵抗[23]。FOXO1的多種生物學功能取決于其靶因子[24]。既往研究表明，核激活的FOXO1控制下游基因的表達，如代謝和免疫調節基因[25-26]、抗氧化應激酶[27]、阻滯細胞周期基因[28]、自噬和凋亡有關基因[29-30]。不同靶點的表達與FOXO1的活性一致，直接或間接觸發多種生理和病理改變。此外，多種上游因子影響FOXO1的翻譯或與FOXO1蛋白連接構成信號通路，在許多關鍵的生物過程中調控FOXO1的轉錄活性[24]。

1.2FOXO1活性調節 FOXO1調控的具體機制尚未完全確定。既往研究表明，FOXO1的活性與其轉錄后修飾、亞細胞定位、核質穿梭密切相關[24]。FOXO1轉錄活性的調節大部分依靠復雜的翻譯后修飾，且普遍認為的翻譯后修飾包括磷酸化、泛素化和乙酰化，其中磷酸化較重要，這些修飾可呈激活或失活狀態，通過上述4個功能域來改變特定目標的活性。

FOXO1主要定位于細胞核，FOXO1是絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)的下游靶點[14]，并受磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)/Akt信號通路的負調控，當PI3K/Akt被激活時，Akt使FOXO1在細胞核的蘇氨酸24、絲氨酸256和絲氨酸319發生磷酸化，磷酸化的FOXO1從細胞核轉移到細胞質，在細胞質中FOXO1被泛素化并降解，其轉錄活性受到抑制[31]。

2 FOXO1與早期妊娠

2.1FOXO1與卵泡發育 卵泡由卵母細胞、顆粒細胞及卵泡膜細胞組成。卵泡發育成熟且成功排卵以及黃體功能正常對于成功妊娠以及早期妊娠的維持至關重要。

2.1.1FOXO1對卵母細胞以及卵泡發育的影響 近年來，關于FOXO1對卵泡發育影響的研究大多為動物實驗及體外實驗，FOXO1是氧化應激誘發卵泡閉鎖的關鍵性調控因子，在卵泡發育中起重要作用[4]。韓琦等[32]研究發現，FOXO1在綿羊卵泡顆粒細胞層表達，且大卵泡表達量明顯低于小卵泡和中卵泡。而FOXO1的高表達會抑制卵母細胞的成熟及卵泡發育，有研究發現，小鼠卵巢顆粒細胞中FOXO1的高表達可抑制黃體生成素激增前的卵母細胞成熟，FOXO1通過介導組蛋白去乙酰化酶3[33]與雙調蛋白啟動子結合[34]，抑制卵母細胞的成熟。此外，有研究顯示，不孕癥患者卵巢顆粒細胞中FOXO1表達升高與促性腺激素反應不良有關，而FOXO3表達降低與檢索到的卵母細胞數量少有關，表明人顆粒細胞中FOXO1的高表達以及FOXO3的低表達不利于卵泡的成熟及發育[35]。

部分研究顯示，FOXO1的高表達會促進卵泡發育、緩解卵泡衰竭，FOXO1低表達會導致卵泡發育異常[36-38]。Ding等[36]通過小鼠卵巢膠原/人臍帶間充質干細胞體外共培養系統發現，膠原支架上的人臍帶間充質干細胞可通過磷酸化FOXO3a和FOXO1激活原始卵泡，使卵巢的整體功能恢復，雌二醇水平升高，改善卵泡發育，使竇卵泡數量增加。Masciangelo等[37]研究發現，人移植卵巢組織的Akt/FOXO1通路顯著上調，卵泡衰竭現象緩解，表明FOXO1的表達升高有助于緩解卵泡衰竭。此外，FOXO1表達降低會導致卵泡發育異常，Liu等[38]發現，正常小鼠卵泡在高雄狀態下發育異常，與FOXO1信使RNA表達顯著降低有關。由此可見，FOXO1對于卵泡成熟以及發育具有重要作用，但目前其機制研究尚不清楚，有待進一步研究。

2.1.2FOXO1對顆粒細胞的影響 在哺乳動物卵巢中，卵泡血管化局限于卵泡膜細胞層，而顆粒細胞和卵母細胞在無血管的低氧環境中發育，低氧導致G0/G1期細胞周期阻滯和G1/S期過渡期阻滯[39]。FOXO1參與了顆粒細胞周期的調節。Li等[5]對豬顆粒細胞在缺氧條件下細胞周期調控機制的研究發現，FOXO1參與了顆粒細胞周期的不同信號通路的調節，一方面，在模擬缺氧條件下，氯化鈷通過缺氧誘導因子-1/FOXO1/細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑1B途徑阻止細胞周期G1期向S期的進展；另一方面，胰島素樣生長因子-1通過激活PI3K/Akt/FOXO1/細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑1B軸，保持低氧狀態下顆粒細胞的周期進程，恢復顆粒細胞周期G1/S過渡，表明低氧環境下FOXO1可通過不同通路阻滯或促進顆粒細胞周期，兩條通路之間保持動態平衡，進而調節顆粒細胞周期。

除參與顆粒細胞的周期調節外，FOXO1還參與了顆粒細胞凋亡以及顆粒細胞向黃體細胞轉化的過程。Liu等[6]研究發現，重度缺氧條件下，豬顆粒細胞中c-Jun氨基端激酶激活增強，FOXO1核積累增加，表明重度缺氧條件下c-Jun氨基端激酶/FOXO1軸誘導了豬顆粒細胞的凋亡，可見FOXO1的高表達促進了顆粒細胞的凋亡。Zhou等[7]研究發現，雞卵巢顆粒細胞中FoxO1表達上調，介導胞外信號調節激酶/c-Jun氨基端激酶表達下調，使顆粒細胞發生凋亡。Weng等[40]研究發現，在氧化應激條件下，小鼠顆粒細胞中14-3-3蛋白與FOXO1解離，FOXO1表達上調，表明c-Jun氨基端激酶/FOXO1參與了顆粒細胞中氧化應激誘導的細胞凋亡的調控。劉春潔等[41]進一步發現，綿羊顆粒細胞中FOXO1的低表達可以抑制顆粒細胞凋亡，促進顆粒細胞增殖，卵泡刺激素可以使顆粒細胞中Akt的磷酸化水平顯著升高，而FOXO1的磷酸化水平顯著降低，表明卵泡刺激素通過Akt/FOXO1信號通路促進綿羊顆粒細胞的生長及增殖，證實FOXO1可以調節顆粒細胞的凋亡。此外，FOXO1還參與了顆粒細胞向黃體細胞的轉化過程，Tungmahasuk等[42]對大鼠卵巢組織的研究發現，黃體生成素可以抑制FOXO1的表達，而FOXO1是顆粒細胞中卵泡刺激素活性降低的轉錄因子，表明FOXO1可能參與了顆粒細胞向黃體細胞的轉化過程。

FOXO1可通過多種信號通路參與卵母細胞成熟、改善卵泡發育、調控顆粒細胞生長周期及其黃體化和氧化應激等卵泡發育過程，但其能否作為監測卵泡發育的重要指標仍有待進一步研究。FOXO1對于卵泡發育過程至關重要，可為優化臨床輔助生殖技術中的卵泡發育提供新的治療思路。

2.2FOXO1與子宮內膜蛻膜化及胚胎植入

2.2.1FOXO1與子宮內膜蛻膜化 FOXO1被認為是人子宮內膜基質細胞(human endometrial stromal cells，HESCs)分化的蛻膜化標記，FOXO1啟動子的順式調控進化是蛻膜基質細胞進化的重要步驟[43]。FOXO1是蛻膜基質細胞進化過程中重要的轉錄因子，可能通過下調Runt相關轉錄因子1調節HESCs增殖分化作用[8]。Zhang等[9]對端粒細胞影響小鼠子宮內膜的研究發現，FOXO1與孕激素受體或CCAAT/增強子結合蛋白相互作用在調控蛋白的分化和蛻膜化發揮重要作用，FOXO1受到上游β聯蛋白激活的控制而發揮生物學功能。Li等[44]對酒精影響妊娠早期HESCs蛻膜化過程的研究發現，FOXO1可以上調乙醇脫氫酶和乙醛脫氫酶，利于基質細胞抵抗酒精誘導的損傷。由此可見，FOXO1在子宮內膜蛻膜化過程中起重要作用，并有助于維持應激狀態下妊娠早期HESCs的正常蛻膜化。

在多囊卵巢綜合征的不孕機制中，FOXO1不僅影響卵巢顆粒細胞的周期以及凋亡，還影響子宮內膜功能。Ujvari等[45]對多囊卵巢綜合征患者子宮蛻膜的研究發現，高胰島素血癥導致大量FOXO1控制基因失調，FOXO1可能參與了子宮內膜功能障礙和生育失敗。Kohan等[46]研究發現，FOXO1磷酸化水平的增高改變了合并高胰島素血癥多囊卵巢綜合征患者的子宮內膜功能，FOXO1磷酸化增多可能通過降低葡萄糖轉運蛋白水平抑制過氧化物酶體增殖物激活受體γ的轉錄，進而影響子宮內膜的功能，最終導致不孕的發生。此外，Su等[47]對子宮內膜異位癥患者子宮內膜蛻膜的研究發現，FOXO1作為Notch信號通路的下游靶點，參與了子宮內膜蛻膜化過程。

2.2.2FOXO1與胚胎植入 FOXO1在整個妊娠著床期的小鼠子宮內膜中均有表達，且在子宮內膜管腔和腺上皮中顯著表達，隨著妊娠進展，FOXO1在植入部位管腔上皮細胞核中的表達增強，其在細胞核中的表達受囊胚活化狀態及子宮內膜著床敏感性的影響[48]。FOXO1是體內子宮內膜容受性的關鍵調節因子，敲除孕激素受體小鼠模型FOXO1后，子宮內膜上皮細胞極性改變，且出現細胞凋亡，胚胎穿透管腔上皮受阻，導致不孕，同時參與細胞侵襲、分子轉運、細胞凋亡、β聯蛋白(CTNNB1基因)等信號通路的轉錄基因的表達發生改變，表明FOXO1和孕激素受體信號在胚胎植入過程中相互關聯[10]。Tamaru等[11]發現，肝素可以誘導FOXO1核積累及其下游靶點活性氧類清除劑超氧化物歧化酶2的表達，并可增強HESCs氧化應激的防御能力，從而改善胚胎植入，此觀點與Li等[44]的研究結果一致。Zhang等[49]研究發現，Krüppel樣因子12可直接與FOXO1啟動子區結合，使子宮內膜基質細胞中Krüppel樣因子12的表達降低，導致小鼠早孕子宮模型的植入和蛻膜細胞缺陷。可見，FOXO1有望成為評估子宮內膜蛻膜化及胚胎植入的重要指標，它可通過不同途徑調節子宮內膜蛻膜化、內膜容受性以及胚胎植入過程，其在人體母胎界面的作用有待進一步明確。

2.3FOXO1與胚胎發育 FOXO1和FOXO3主要在雌性爪蟾的早期胚胎時期表達[50]。FOXO1是早期胚胎發育所必需的，可以誘導囊胚滯育。Fenelon等[12]發現，FOXO1作為一種細胞周期阻滯因子，可誘導袋鼠囊胚滯育，此外，Michalovic等[13]發現，牛的卵巢顆粒細胞中FOXO1信使RNA的水平與卵母細胞支持胚胎發育至囊胚期的能力有關。隨后，Kuscu等[51]通過敲低小鼠囊胚的FOXO1、FOXO3和FOXO4證實，FOXOs是胚胎發育過程必需的物質，且FOXOs轉錄因子參與早期胚胎停滯的機制可能與氧化應激水平升高、細胞周期阻滯和凋亡有關，上述研究均表明FOXO1參與了囊胚滯育的發生過程。

此外，FOXO1缺失還可導致早期胚胎的畸形和死亡。有研究發現，缺失FOXO1小鼠胚胎在第10.5天因多發性心血管畸形死亡；進一步研究發現，小鼠胚胎的死亡可能與FOXO1調控血管細胞黏附分子-1基因表達有關，FOXO1-血管細胞黏附分子-1通路對小鼠胚胎細胞存活以及小鼠心血管發育至關重要[16]。Veeriah等[14]發現，鎘通過一氧化氮-環鳥苷酸信號通路下調FOXO1表達，導致早期雞胚胎發育畸形。García-Sanz等[15]發現，Aristaless-like同源框3通過激活FOXO1刺激氧化應激清除基因的表達，參與對抗糖尿病小鼠早期妊娠胚胎發育畸形的過程。進一步研究發現，在人胚胎干細胞中，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白通過Akt-FOXO1信號通路對胰島素樣生長因子結合蛋白1和泌乳素等蛻膜標記基因的誘導至關重要，且FOXO1與分別調控胰島素樣生長因子結合蛋白1和泌乳素表達的同源框基因A10及同源框基因A11結合，表明FOXO1可作為控制蛻膜基因表達的核心轉錄因子，調節人胚胎干細胞去細胞化過程[52]。由此可見，FOXO1在早期胚胎發育中具有重要作用，參與了囊胚滯育、致死及致畸過程，但目前其機制尚不清楚，其對人類早期胚胎的影響仍有待進一步研究。

3 小 結

早期妊娠的機制復雜，FOXO1可能通過多條通路發揮多種生物學功能，不僅影響了卵泡發育、子宮內膜蛻膜化，還影響了胚胎植入及早期胚胎發育。目前FOXO1的相關研究大多處于動物模型或體外實驗階段，其未來有望成為監測早期妊娠過程是否發生異常的重要指標，但目前其在人體早期妊娠過程中的研究目前尚未展開，且其在妊娠相關疾病中的機制仍未能完全闡明。深入研究FOXO1將為不孕癥、早期妊娠丟失、復發性流產、稽留流產等相關疾病的治療提供新的方向。